近日，南方科技大学生命科学学院副教授龚欣课题组在Science Advances在线发表了题为“Cryo-EM structures of the human surfactant lipid transporter ABCA3”的研究论文，针对呼吸系统中的关键脂质转运蛋白ABCA3展开了深入研究，首次解析了人源ABCA3在不同转运状态下的高分辨率三维结构，揭示了ABCA亚家族蛋白针对脂质底物保守的跨膜转运机制。

肺表面活性剂由大约90%的脂质和10%的蛋白质组成，通常由肺泡II型（AT2）上皮细胞分泌，主要作用是降低肺泡表面张力，以防肺泡塌陷，从而维持正常呼吸(如图1A)。ABCA3主要定位于AT2细胞内的层状体（LBs），通过将表面活性剂脂质分子转运到LBs中，从而参与表面活性剂的生成（图1A）。ABCA3基因的突变会导致表面活性剂缺陷，从而引发严重的肺部疾病，例如新生儿呼吸窘迫综合征、间质性肺炎等。迄今为止，还没有针对由 ABCA3 突变引起的遗传性疾病的特定疗法。之前的研究结果还表明，ABCA3在成熟过程中，会在其胞外区结构域（ECD1）发生蛋白酶介导的切割，但是该切割事件的目的尚不清楚（图1B）。尽管ABCA3在生理学和病理学中作用关键，但目前仍缺乏ABCA3的体外生化和结构表征的研究。

在本研究中，研究人员首先通过体外重组表达、纯化的方法获得了人源ABCA3蛋白，并在体外测定了ABCA3的ATPase活性和相应的酶动力学参数（图1C），纯化的ABCA3蛋白存在与先前报道一致的蛋白切割和糖基化修饰（图1D, E）。研究人员还使用了一种获得ABCA3蛋白裂解前（未切割）和裂解后（完全切割）状态的策略，并利用生化研究证明该蛋白裂解对ABCA3的体外ATPase活性无显著影响（图1F, G）。

随后研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了人源ABCA3蛋白分别在apo和ATP-bound状态下的冷冻电镜结构，分辨率均为3.3Å（图2）。这些结构揭示，跨膜区（TMD）内两个带正电荷的侧向空腔可以作为潜在的底物结合位点，通过进一步的结构分析和突变体实验，阐明了ABCA3依赖于ATP结合的构象变化，并提示了其参与脂质跨膜转运可能的模型（图3）。这些研究成果能够帮助我们更好理解ABCA3疾病突变的致病机制。虽然ABCA3是外向转运蛋白(exporter)，而ABCA4是内向转运蛋白(importer)，但是它们针对脂质底物跨膜转运的模型非常相似(图3)。这些结果表明，ABCA亚家族蛋白很有可能采取了保守的“侧向进入和挤压”的转运模型实现脂质底物的跨膜翻转，但是不同蛋白相反翻转方向的分子机制还有待进一步研究。

图1. 人源ABCA3的生化性质表征

图2. 人源ABCA3处于两种不同构象的三维结构

图3. ABCA脂质转运蛋白的工作模型

该成果是龚欣副教授继2017年在Cell发表ABCA1 的结构和2021年在Nature Communications 发表ABCA4结构之后，针对ABCA脂质转运蛋白亚家族取得的又一项重要进展。龚欣课题组研究副教授谢田、南科大2019级硕博连读生张子珂、博士后岳剑为论文共同第一作者，龚欣为论文通讯作者，南科大是论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、深圳市优秀青年基金等项目的资助。该研究中电镜数据的收集和处理，均在南科大冷冻电镜中心完成，得到了该中心的大力支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3727 

供稿：生命科学学院龚欣课题组

通讯员：付文卿

主图：丘妍

编辑：朱增光